دااگشنه آزاد اسالمی واحد زدفول باسمه تعالی مركز آموزشی و ف ر هنگی سما دادكشنه وی و ه يا ای سما دستور کار آزمااگشیه مدا راهی ا لکتریکی ( ) ( ) ( ) ( ) زمستان 49
فهرست: مقررات آزمایشگاه مقدمه: تهیه گزارشکار و پیش گزارش آزمایش اول: آشنایی با اجزای مدار آزمایش چهارم: آشنایی با اسیلوسکوپ آزمایش دوم: بررسی قانون اهم و كیرشهف -انتقال توان ماكزیمم آزمایش سوم: قضیه جمع آثار- ضق یه تونن o o o o o o آزمایش پنجم: آزمایش ششم: فیلترهای CوLپایین گذر فیلترهای CوLباال گذر o o o آزمایش هفتم: مدار LCسری)فیلتر میان گذر( آزمایش هشتم: مدار LCسری)فیلتر میان نگذر( o آزمایش نهم: مدار LCموازی)فیلتر میان گذر( آزمایش دهم: فیلتر C پایین گذر)اندازه گیری اختالف فاز روش دوم( o o 2
مقررات آزمایشگاه: جلوگیری از حوادث كنید. در صورت وقوع خطر مدارها باید فورا قطع شوند. برای قطع برق میز فیوز میز كار خود راقطع نحوه انجام آزمایش: نحوه شركت دانشجویان در آزمایشها به صورت گروهی می باشد. هر گروه موظف است قوانین آزمایشگاه را به طور دقیق اجرا نماید. قبل از شروع آزمایش هر دانشجو باید دستور آزمایش را با دقت مطالعه نموده و سواالتی که بعنوان پیش گزارش در دستورکار وجود دارد را پاسخ دهد و حتما قبل از انجام آزمایش آنرا تحویل نماید. بدون تحویل پیش گزارش از كار با دستگاهها ممانعت به عمل می آید گزارش كار هر آزمایش حداكثر یک هفته بعد از انجام آزمایش باید تحویل داد در غیر این صورت به آن ترتیب اثر داده نخواهد شد. با استفاده از نرم افزار آزمایشهای انجام شده را شبیه سازی كنید و با گزارش كار خود تحویل دهید.)كارهای انجام شده را حتما در یک پوشه با نام خود و شماره آزمایش ذخیره كنید.( مهندس صدیقه علی نژاد Alinejad.s@gmail.com 3
مقدمه:»مشخصات دستگاه اندازه گیری«نام دستگاه كم تی مورد سنجش عالمت A v Ω W kwh H F HZ Ø آمپرمتر ولتمتر اهم متر واتمتر كنتور اندو كتانس متر كاپاسیتانس متر فركانس متر كسینوس فی متر جریان ولتاژ مقاومت توان انرژی اندو كتیو»ضریب خود القایی«ظرفیت فركانس»بسآمد«اختالف فاز»خطا«یکی از مسائل عمداه ی كه در آزمایشگاه با آن چند عامل باشد: روبرو خواهیم بود مسئله خطا ست كه میتواند ناشی از خطای ناشی از ساختمان دستگاه اندازهگیری و حدود دقت آن خطای ناشی از روش انجام آزمایش و اندازهگیری. خطای اتفاقی مثل خطای چشم و اثراتی كه عوامل خارجی بر روی دستگاه دارند. 4
تفاضل مقدار اندازهگیری شده و مقدار حقیقی نسبت به مقدار واقعی را خطای نسبی میگویند. رابطه درصد خطای نسبی به صورت زیر است: 00 مقدار عملی مقدار تئوری مقدار عملی =درصد خطای نسبی -دستگاه در حالتی كالیبره است كه مقدار اندازهگیری شده با مقداری تئوری مطابق باشد. -خطای ناشی از چشم را می توان با چند بار اندازهگیری و بعد میانگین گرفتن به حداقل كاهش داد.»رسم نمودار«در بعضی از آزمایشها برای نشان دادن رابطه بین دو كمیت و نتیجهگیری از نمودار مربوط رسم شود. آزمایش الزم است كه برای رسم نمودار ابتداد باید دو محور عمود برهم در نظر بگیرید. حال باید با یک مقیاس مناسب محور ها را مدرج كنید و مقیاس انتخاب شده را در كنار هر محور ذكر كنید. بعد از انتخاب محورهای مختصاب و مقیاس مناسب نقاط را روی محورها جدا نموده و بصورت دایره كوچک «به قطر حدود یک میلمتر«مشخص نموده و اگر نقاط را در برگیرد یا نقطه ها بصورت منناب در دو طرف خط قرار گیرند با استفاده از نمودار می توان شیب خط «α»tan را كه تانژانت زاویه بین آن خط و خط افق است و تغییرات كمیت محور عمودی را بر حسب تغییرات كمیت محور افقی بدست میدهد محاسبه كرد. بطور مثال در نمودار تغییرات ولتاژ بر حسب جریان اهم چون شیب خط در همه جا ثابت است نسبت ولتاژ به جریان مقداری است كه اهم آنرا مقاومت دانست. 5 4 V=4-2=2 I=40-20=20 3 V CM= Cm = 2 α I 0 20 30 40 50 60 Tan α = V I = = 2V 20 ma = 2 V 0.02 A =00Ω 5
آزمایش اول: آشنایی با اجزای مدار الف-سواالت پیش گزارش: -انواع مقاومت را نام ببرید.)جنس مقاومت-حلقه های رنگی-توان( 2 -استانداردهای موجود برای مقاومتها را بنویسید.)اعداد هر استاندار را به تفکیک بنویسید.( 3 -یک مقاومت یک مگا اهمی چه رنگهایی داردو مقاومتی زیر چه مقداری دارد.میزان خطای ان را محاسبه كنید. 4 -انواع خازن را نام ببرید.روی یک خازن عدد 02 نوشته شده است ظرفیت ان را محاسبه كنید. ب- شرح آزمایش یک مدار الکتریکی اساسا از اتصال یک یا چند منبع مولد انرژی و یک یا چند مصرف كننده انرژی»یا ذخیره كننده انرژی«كه اجرای مدار نامیده میشود تشکیل میگردد. سه نوع اجزای مدار كه در این آزمایشگاه با آن سرو كار داریم عبارتند از: خود القا (Inductor( و هر 0 6 اهم معادلΩ M است. مقاومت ( esistor ) خازن (Capacitor( الف:مقاومت: واحد مقاومت اهم بوده و اهم kω انواع مقاومت: -مقاومت كربنی : مخلوطی از پودر كربن و مواد چسبنده و مواد و مواد مقاوم حرارتی كه بصور 2 و فشرده ساخته شده و دارای اهم 4 زیاد و توان های و و 2 وات میباشند و بهترین درصد خطای آن %5 است. 2- مقاومت الیه كربنی : روی میله نازكی از سرامیک قشری از كربن رسوب داده شده و روی آن را شیاری می دهند كه این مسئله در فركانسهای باال تولید اشکال می كند. 6
3- مقاومت اكسید فلز : بر روی سرامیک الیه ای از اكسید های فلزی قرار دارد كه داردای تلزانس كمتر و محدوده فركانس زیادتری هستند اما كم وات گران هستند. 4- مقاومت فیلم فلزی : مثل مقاومت اكسید فلز بوده فقط بجای اكسید فلزی قشری از طال پالتین و یا نقره روی آنرا می پوشاند كه در وسایل دقیق بکار می رود. 5- مقاومت سیمی : از پیچاندن سیم با آلیاژهای محخصوص»نیکل_كرم و یا نیکل سم» بر روی یک استوانه سرامیک بوجود می آید و دارای توان باال ولی محدودیت مقدار مقاومت هستند. 6 -مقاومت قابل تنظیم: این مقاومتها یا بصورت پیوسته بوسیله یک كمربند فلزی قابل تنظیم است. مقاومتها به رئوستا یا پتانسیومتر مشهورند كه در برای كم و زیاد كردن حجم صدا بکار میروند. دستگاه های صوتی ولوم گفته این میشوند زیرا هر گاه تغییرات زاویه چرخش نسبت به میزان مقاومت یک رابطه خطی باشده ولوم را خطی و اگر این رابطه لگاریتمی باشد آن را ولوم لگاریتمی گویند. روش خواندن مقاومتها معموال مقدار مقاومتها را بصورت كد رنگی روی آن مشخص می كنند طرز خواندن مقدار مقاومت بوسیله نوار های رنگی بصورت زیر است: گا- ر تعداد نوار ها سه تا باشند دو نوار اول مربوط به رقم اول و دوم و نوار سوم مربوط به تعداد صفر ها ست و تلرانس آن 20 %است. 7
2 -اگر تعداد نوارها چهار تا باشند دو نوار اول مربوط به رقم اول و ودوم و نوار سوم مربوط به تعداد صفر ها و نوار چهارم اگر طالیی باشد 5 %و اگر نقره ای باشد تلرانس ان % است. 3- اگر تعداد نوارها پنج تا باشند سه رقم اول مربوط به ارقام اول تا سوم ونوار چهارم تعداد صفر ها و نوار پنجم تلرانس تا %2 است. 4 -در مقاومتهای چهار رنگه اگر رنگ سوم نقره ای باشد مقاومت كمتر از یک اهم است و اگر طالیی باشد كمتر از اهم است. ( ) ( ) ( ) ( ) جدول رنگها و تلرانسها رنگها I. عدد 2 3 4 5 6 7 8 9 سفید خاكستری زرد سبز آبی بنفش قرمز نارنجی رنگ سیاه قهوهای.II تلرانس ها % عدد %2 %5 %0 %20 بیرنگ نقره ای طالیی قرمز قهوه ای رنگ مقاومتهای پروات Britsh Standard بر ای نشان دادن اهم از كیلو اهم از K و مگا ازM استفاده میشود و این حرف بین دو عدد قرار می گیرند كه به جای ممیز بکار می روند. 82 = 82Ω 8
5K6 = 5.6K Ω 3M3 = 3.3M Ω B حرف C D F G H J K M N تلرانس %0. %0.2 %0.5 % %2 %3 %5 %0 %20 %30 تلرانسΩ±% 4K7F=4.7K تلرانس ±%0 8KK=8K Ω استاندارد مقاومتها: E6: - /5-2.2 3.3 4.7 6.8 E2:.2.8 2.2 2.7 3.3 3.9 4.7 5.6 6.8 8.2 E24:..2.3.5.6 -.8 2 2.2 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5. - 5.6 6.2 6.8 7.5 ب:خازن خازن از دو صفحه نیمه هادی كه بوسیله عایقی بنام دی الکتریک با فاصله معینی از یکدیگر قرار گرفتهاند تشکیل شده است. واحد اندازهگیری ظرفیت خازن فاراد است ولی چون فاراد واحد بسیار بزرگی است از واحدهای كوچتری به ترتیب زیر بهر می برند. µ=0 6 F نانوF n=0 9 میکرو پیکو F p=0 2 انواع خازان ها : - خازن هوایی 2 -خازن كاغذی 3- خازن پالستیکی و پلی استر 4- خازن میکا 5- خازن سرامیکی - خازن هوایی 6 -خازن الکترولیت 7- خازن تانتالیو 8- خازن متغیر 9
دی الکتریک : هوا تلفات: بسیار كم در ظرفیتهای كم ساخته میشوند در فركانسهای باال و همچنین خازنهای رادیو كاربرد دارند. 2- خازن كاغذی دی الکتریک :كاغذ آغشته به پارافین دی الکتریک بین دو صفحه آلومینیمی نازک و مجموعه بصورت لوله است. 3- خازن پالستیکی دی الکتریک: مواد پالستیکی مثل پلی اتیلن ساختمانی شبیه خازن كاغذی دارند. 4- خازن میکا میکا دارای تحمل زیادی شیمیایی بوده و تحمل حرارت ساختن اسیالتور ها مصرف می شوند. 5- خازن سرامیکی آن 750 میباشد. در فرستندههای رادیویی و از سرامیک بعنوان عایق استفاده می شود و به این علت گرد و كوچک بودن آنها سبب شده است كه به خازن عدسی شناخته شوند. ظرفیت این خازنها را معموال روی آنها مینویسد اما اگر واحد مشخص نبود بر حسب پیکو فاراد است گاهی اوقات ظرفیت آنها را با یک عدد سه رقمی مشخص میكنند كه در اینصورت رقم سوم تعداد صفر ها و رقم اول و دوم كنار هم قرار میگیرند. 0.02µF 00 n 473 20 0.02µF 00nF 47000pF=47nF 20 pf 0
گاهی اوقات از نوار های رنگی 3 تا 4 رنگ استفاده میشود كه نحوه خواندن مانند مقاومت است. 6- خازن الکترولیتی: بیشترین ظرفیت را خازنهای الکترولیتی دارند. جنس جوشنها در این خازنها از آلومینیم است. جوشن قشر نازكی از اكسید آلومنیوم اندوه شده است و به عنوان عایق بکار می رود كه باید به قطب مثبت باطری یا مدار وصل گردد. در خازنهای الکترولیتی رعایت پالریته خازن الزامی است در اینصورت چون تركیبات درونی خازن شیمیایی است فعل و انفعاالت شیمیایی باعث داغ شدن و در نهایت تر كیدن خازن خواهد شد. اندازه ظرفیت و حد اكثر ولتاژ كار این خازنها را روی آنها می نویسند و پایه مثبت و منفی آنها را مشخص میكنند. 7 -خازن تانتالیوم این خازنها دارای ظرفیت زیاد و پالریته میباشد اما دارای حجم كوچک می باشند و در فر كانسهای باال مناسبتر میباشند. 8- خازن متغیر از صفحات نیم دایره ای تشکیل شده اند كه عایق هوا یا میکا دارند و به آنها»واریابل«گویند. نوع دیگر خازنهای متغیر كه محور آنها با پیچ گوشتی تفییر می كند»تریمر«نامیده می شود.
ج-انجام آزمایش آزمایش :- مقامتهای موجود را تک تک با استفاده از اهم متر اندازه گرفته و در هر حالت مقدار دقیق اندازه گیری شده را بدست آورید. میزان خطا مقدار اندازه گیری رنج انتخابی درصد خطا رنگ سوم رنگ دوم رنگ اول مقاومت 0 Ω آزمایش -2: خازنهای موجود را تک تک با استفاده از LC اندازه گیری شده را بدست آورید. متر اندازه گرفته و در هر حالت مقدار دقیق مقدار اندازه گیری شده عدد نوشته شده روی نوع خازن خازن بوسیله LCمتر خازن 47nf آزمایش -3: سلفهای موجود را تک تک با استفاده از LC گیری شده را بدست آورید. متر اندازه گرفته و در هر حالت مقدار دقیق اندازه مقدار اندازه گیری شده بوسیله LCمتر عدد نوشته شده روی سلف یا رنگهای ان سلف mh 2
وv آزمایش 2: بررسی قانون اهم و كیرشهف I و v 2 را اندازه گیری نمایید. الف-سواالت پیش گزارش: -در مدار زیر به كمک نرم افزار مقدار + v - 2k + 0v i 5k V2-2 -با استفاده از روش تحلیل مش)قانونkvl (ولتاژ دو سر هر مقاومت را محاسبه كنید. A 220 Ω B.8 KΩ E 330 Ω 0 V 33 KΩ 680 Ω D 220 Ω C KΩ F 3 -با استفاده از روش تحلیل گره)قانونkcl ( جریان هر از مقاومتها را محاسبه كنید. 220 Ω 820 Ω 2 V 3.3 KΩ.8 KΩ KΩ 330 Ω 220 Ω 4 -مقادیر خواسته شده در مدارهای سوال 3 و 4 را با استفاده از نرم افزار اندازه گیری كنید. 3
ب-شرح آزمایش قانون اهم هدف از این آزمایش بررسی قانون اهم است. بر طبق قانون اهم اگر درجه حرارت و سایر شرایط فیزیکی در یک رسانا ثابت نگه داشته شود نسبت اختالف پتانسیل به جریان عبوری از آن رسانا مقداری ثابت است و این مقدار ثابت با مقدار مقاومت رسانا برابر و بصورت =V I نوشته میشود. طبق قانون اهم اگر ولتاژهای مختلفی به دو سر یک مقاومت معین اعمال شود نسبت اختالف سطح به جریان عبوری از آن مقاومت همواره ثابت است و با واحد اهم اندازهگیری میشود. V = V2 = V3 = V4 = I I2 I3 I4 در نتیجه اگر نمودار تغیرات ولتاژ دو سر مقاومت را بر حسب جریان رسم شود یک خط راست بدست می دهد كه شیب خط برابر است. Tan α = V I = V α I قوانین کیرشهف: برای پیدا كردن جریان یا اختالف پتانسیل در مدارهایی كه دارای تعداد زیادی شاخه باشند از قوانین كیرشهف استفاده می شود میتوان قوانین كیرشهف را به شرح زیر بیان نمود. قانون اول: در هر گرهای از مدار الکتریکی مجموع جریان هایی كه به آن وارد میشوند برابر است با مجموع جریان هایی كه از آن خارج می شود به عبارت دیگر جمع جبری جریانهایی كه به یک نقطه وارد میشوند و یا از آن نقطه خارج میگردند. برابر صفر است. یعنی: I + I2 + I3 +.. + In = I= 0 این قانون به قانون KCL معروف است. 4
قانون دوم: در یک حلقه بسته جمع جبری تمام اختالف پتانسیل ها در آن حلقه برابر صفر است. V + V2 + V3 +.. + Vn = Vi = 0 این قانون به قانون KVL معروف است. ج-انجام آزمایش آزمایش 2- : مدار زیر را بسته و به ازای ولتاژهای مختلف جریان را اندازه گیری کنید. A CUSTOME 2.7k v ولتاژ 2 v 3 v 4 v 5 v 6 v 7 v 8 v جریان نمودار ولتاژ بر حسب جریان را روی كاغذ میلیمتری رسم نموده و با استفاده از میانگینگیری مقدار مقاومت را حساب كنید. مقاومت یک سیم به چه عواملی بستگی دارد 5
آزمایش 2-2 : مداری بصورت زیر بسته و ولتاژهای خواسته شده را بدست آورید A 220 O B.8 KO E 330 O 0 V 33 KO 680 O D 220 O C KO F VAB =? VCB VEF =? =? VBC VCD VFC =? =? =? VBE =? VDA =? ) VAB + VBC + VCD + VDA =? 2) VBE + VEF + VFC + VCB =? آزمایش 2-3 : مداری بصورت شکل روبرو ترتیب داده و به كمک آمپرمتر روابط زیر را ثابت كنید: 220 Ω 820 Ω 2 V I I2 I3 I4 I5 I6 3.3 KΩ.8 KΩ KΩ 330 Ω I7 220 Ω a. I = I7 b. I = I2 + I3 + I4 c. I4 = I5 + I6 6
آزمایش سوم: بررسی قضیه جمع آثار- تونن-انتقال توان ماکزیمم به بار الف-سواالت پیش گزارش: -به كمک نرم افزار جریان I را به روش جمع آثار اندازه گیری كنید. K.5K 4V 00Ω 5V 2 -مقدار جریان را در مقاومت اهمی به كمک قانون جمع آثار محاسبه كنید.)فرمول( K.5K 4V 00Ω 5V 3- در مدار زیر مقاومت بار چقدر باشد تا بیشترین توان به ان منتقل شود.ماكزیمم توان را محاسبه كنید. 2.2K 5 V L 4 -در مدار زیر معادل تونن را از دو سر مقاومت اهمی محاسبه كنید. K K 6V K 00Ω ب-شرح آزمایش قضیه جمع آثار یا اصل سوپرپوزیشن اگر یک مدار خطی بیشتر از یک منبع تغذیه داشته باشد جریان در هر شاخه از این مدار برابرخواهد بود با مجموع جبری جریانهای حاصل از هر یک از منابع درآن شاخه جداگانه به شرطی كه هر منبع را جداگانه در نظر گرفته و سایر منابع را با مقاومت داخلی انها جایگزین كنیم. 7
حال اگر بخواهیم قضیه جمع اثار را برای پیدا كرن جریان در شاخه ای از مدار زیركه 2 كنیم داریم: قرار دارد حساب 3 E 2 E 2 الف :اتصال کوتاه E2 3 I' E 2 E 2 I' = I' 2 = E +2 3 3 2+3 I' 3 = (2+3)+23 E2 I' 2 ب:اتصال کوتاه E 3 2 I" E 2 I" = E2 3 + 2 I" 2 = 2+ I' I" 3 = E2 3 ( + 2 ) + 2 I 3 = طبق قضیه جمع آثار داریم : I3 = I' 3 + I" 3 2 E + E2 (2 + 3 )+2 3 ) 2 (+3 )+ 3 8
Aو شبکه B مرتب نمود كه به وسیله دو رسانای بدون قضیه تونن با داشتن هر مدار غیرخطی می توان آن را به شبکه مقاومت به یکدیگر متصل شده اند 3 C E 2 L D با این ترتیب یک ولتاژ Vرا OC به عنوان ولتاژ مدار باز تعریف می كنیم كه وقتی شبکه ظاهر خواهد شد در اینصورت چنانچهA خنثی گردد «یعنی هم منابع ولتاژ و جریان مستقل درA بترتیب با اتصال كوتاه ومدارباز جانشین میشوند«كلیه جریانها وولتاژهایB بدون تغییر باقی خواهند ماند. البته این درصورتی است كه منبع ولتاژ مستقل Vرا OC با پالریته صحیح سری با شبکه خنثی شده»غیرفعال«سری شده باشد. اكنون محاسبه را انجام میدهیم. ابتدا مقاومت را L بر میداریم و ولتاژ دو سر CD را محاسبه میكنیم. به دلیل اینکه از مقاومت3 جریان نمیگذرد ولتاژ V OC با V 2 برابراست پس داریم : 3 C E 2 D VOC = V2 = 2 + 2 E = VOC = VTH TH حال معادل تونن را حساب میکنیم برای این كار كافیست تمامی منابع مستقل را خاموش كنید بنابراین مقاومت 3 C 2 TH = ǁ 2 + 3 D 9
قضیه ماکزیمم توان انتقالی به بار در مدار زیر S مقاومت داخلی منبع E و L مقاومت بار است جریان و توان مصرفی دو سر بار را به صورت زیر محاسبه می نماییم : برای محاسبه ماكزیمم توان انتقالی به بار الزم است كه: E S I L P L = L I 2 I = E S + L L = S = L PL (S + L ) 2 E2 ج-انجام ازمایش آزمایش 3- : در مدار زیر قضیه جمع آثار را تحقیق نمایید و جریان را در مقاومت اهمی بدست آورید. K.5K 4V 00 Ω 5V ابتدا جریان را در مقاومت اهمی اندازه بگیرید و پس از آن اثر یکی از منابع را حذف و دوباره جریان را در مقاومت اهمی حساب كنید. بار یگر منبع دیگر را حذف و دوباره جریان را حساب وبا حالت قبل جمع و حاصل را با حالت اول مقایسه نمایید. نکته:)توجه داشته باشید که حذف منبع ولتاژ یعنی اتصال کوتاه کردن آن(.ابتدا فیشهای منبع مورد نظر را از دستگاه خارج کرده و بعد به هم وصل کنید. جریان اندازه گیری شده وضعیت منابع منبع 4 روشن V منبع 4 روشن V منبع 4 خاموش V منبع 5 V روشن منبع 5 V خاموش روشن 5 V منبع 20
آزمایش 3-2 : ابتدا ولتاژ و جریان را در مقاومت اهمی اندازه بگیرید و پس ازآن با استفاده از قضیه تونن مدار معادل آن را بصورت زیر ترتیب دهید و جریان را در مقاومت اهمی محاسبه نمایید و با حالت اول مقایسه نمایید. K K 6V K 00Ω V(00 Ω )= مراحل انجام کار: ابتدا ولتار و جریان L را اندازه گیری كنید. I(00 Ω )= ) L بار را جدا كرده ولتاژ مدار باز را اندازه گیری كنید. V OC =V TH = منبع ولتاژ را خاموش و اتصال كوتاه كرده و بوسیله اهم متر مقاومت تونن را از دو سر اندازه گیری كنید. = TH با استفاده از مقادیر V TH و TH كه از دو مرحله قبل بدست آورده اید مدار معادل را ببندید و دوباره ولتاژ و جریان مقاومت بار را اندازه گیری كنید و با مرحله ی ) (مقایسه كنید. )2 )3 )4 C TH V TH 00 Ω D آزمایش 3-3 : مداری به صورت زیر بسته و به جای L P = v2 توان را محاسبه نمایید. مقادیر داده شده در جدول را گذاشته و با استفاده از فرمول 2
2.2K L KΩ.5 KΩ.8 KΩ 2.2 KΩ 2.7 KΩ 3.3 KΩ 5 V L V L P L L نمودار P L را بر حسب مانند نمودار زیر رسم كنید و محل ماكزیمم توان را روی آن تعیین نمایید. PL PLmax K.5K.8K 2.2K 2.7K 3.3K L 22
» Osillos Cope آزمایش 4: آشنایی با نوسان نگار یااسیلوسکوپ «الف-سواالت پیش گزارش: -تست پروب اسیلوسکوپ را توضیح دهید. 2 -در شکل زیر و V P-P V P و T و F را محاسبه كنید. Volt/div=5 V Time/div=20µs 3- در شکل زیر اختالف فاز را محاسبه کنید. 4- اگر شکل موج در صفحه بصورت افقی در حرکت باشد برای ثابت نگه داشتن ان چه باید کرد. 23
ب-شرح آزمایش اسیلوسکوپ دستگاهی است كه از آن برای مشاهده شکل موجها و اندازه گیری دامنه ولتاژ زمان تناوب اختالف فاز و همچنین مشاهده منحنی مشخصه ولت آمپر عناصر نیمه هادی مانند دیود و ترانزیستور استفاده می شود.اسیلوسکوپ یک ولت متر دقیق است ولی توانایی اندازه گیری جریان را به طور مستقیم ندارد و برای اندازه گیری جریان باید از روشهای غیر مستقیم مانند قانون اهم استفاده كرد. یکی از مزایای اسیلوسکوپ این است كه بر خالف مولتی مترهای معمولی در فركانس های باال نیز به خوبی كار می كند.اسیلوسکوپ ها در نوع آنالوگ و دیجیتال ساخته می شوند كه ما در اینجا به برسی نوع آنالوگ آن می پردازیم. ما قصد نداریم به بررسی ساختمان داخلی اسیلوسکوپ بپردازیم بلکه هدف آشنایی با قابلیت های اسیلوسکوپ و نحوه استفاده از آن می باشد. 24 «روش اندازه گیری با اسیلوسکوپ» اسیلوسکوپها ممکن است یک كاناله و یا چند كاناله باشند.اسیلوسکوپ های یک كاناله در هر لحظه فقط می توانند یک سیگنال را روی صفحه نمایش خود نمایش دهند. اما اسیلوسکوپ های چند كاناله همزمان می توانند چند سیگنال را روی صفحه نمایش خود نمایش دهند. اسیلوسکوپ آزمایشگاه یک باشد. اسیلوسکوپ دو كاناله می باشد یعنی همزمان قادر به نمایش دادن دو سیگنال روی صفحه نمایش خود می پراب ) Probe ( : برای انتقال سیگنال های الکتریکی به اسیلوسکوپ از پروب كه به آن پراب گویند استفاده می شود. سیم رابط پروب معموال نیز می از جنس كابل كواكسیال می باشد تا میزان نویز به حداقل برسد. نوک پروب به صورت گیره ای فنری است كه می توان آن را به یک نقطه از مدار وصل كرد. اگر پوشش پالستیکی نوک پروب را برداریم نوک آن به صورت سوزنی می شود كه در بعضی مواقع از آن استفاده می گردد.انتهای فلزی سیم رابط كه به ورودی اسیلوسکوپ وصل می شودنام دارد BNC استفاده می گردد. انتهای فلزی سیم رابط كه به ورودی اسیلوسکوپ وصل می شود دارای یک شیار مورب است كه وقتی آن را به ورودی اسیلوسکوپ كنیم می وصل اسیلوسکوپ متصل می شود. ساعت های عقربه جهت در درجه ٠٩ و همچنین روی پروب كلیدی با دو حالت چرخانیم می ١ و ١٩ به كامال قطعه این وجود دارد كه در حالت ١ سیگنال بدون هیچ گونه تضعیفی از طریق پروب به اسیلوسکوپ اعمال می گردد و در حالت ١٩ ابتدا سیگنال در داخل پروب ١٩ برابر تضعیف شده و سپس به اسیلوسکوپ اعمال می گردد. باید توجه داشت كه اگر از حالت ١٩ پروب برای اندازه گیری استفاده شود مقادیر قرائت شده دامنه را باید در عدد ١٩ ضرب نمود تا مقدار واقعی دامنه سیگنال بدست آید.موارد كاربرد ١٩ برای سیگنال ه یا دامنه زیاد می باشد. تست پروب: در اسیلوسکوپهای آزمایشگاهی معموال یک ولتاژ پایدار داخلی تولید میشود كه دامنه مشخصی با
دارد. این ولتاژ كه برای كالیبره سازی مورد استفاده قرار میگیرد معموال یک موج مربعی است جهت اطمینان از سالم بودن پروب باید ان را به موج داخلی اسلوسکوپ وصل نمود. در ادامه ابتدا به بررسی صفحه نمایش و كلیدها و ولوم های روی پانل اسیلوسکوپ می پردازیم و سپس به بررسی كاربردهای اسیلوسکوپ می پردازیم. -صفحه نمایش اسیلوسکوپ : اسیلوسکوپ ها دارای یک صفحه نمایش هستند كه این صفحه نمایش در راستای افقی به ١٩ قسمت و در راستای عمودی به ٨ قسمت تقسیم می شود كه برای دقت بیشتر در اندازه گیری در راستاهای افقی و عمودی خطوط وسط دارای تقسیمات ریزتری نیز می باشند به طوری كه هر خانه به ۵ قسمت تقسیم شده و هر قسمت معادل 0.2 خانه است. 2 -ولومIntensity : این ولوم شدت نور سیگنال نمایش داده شده را كم و زیاد می كند. این ولوم باید در حالتی قرار گیرد كه شدت نور برای رؤیت سیگنال كافی باشد.)گاهی به اختصار Inten نوشته شده است.( 3 -ولوم :Focus كلمه Focus به معنای كانونی و یا تمركز است و این ولوم ضخامت موج رسم شده بر روی صفحه اسیلوسکوپ را كم و زیاد می كند. این ولوم باید در حالتی قرار داده شود كه خطوط شکل موج حداقل ضخامت را داشته باشند. 4 -ولومTime/Div : ین كلید دارای ضرایبی بر حسب ثانیه میلی ثانیه و میکروثانیه است. 5 -ولوم :Time Variable این ولوم برای فشرده و باز كردن شکل موج در راستای افقی استفاده می شود. برای اندازه گیری زمان تناوب توسط اسیلوسکوپ باید حتما این ولوم تا آخر در جهت حركت عقربه های ساعت چرخانده شده و روی عالمتCal قرار گیرد. از این ولوم زمانی استفاده می شود كه صحت ضرایبTime/Div اهمیتی نداشته باشد مثل زمانی كه می خواهیم اختالف فاز دو موج هم فركانس را محاسبه كنیم. 6 -ولوم تغییر مکان افقی( ( Horizontal Position : این ولوم شکل موج را در جهت افقی جا به جا می كند این ولوم ممکن است به اختصار با. عالمت Hor.Pos و یا با نشان داده می شود. 7 -ولومVolt/Div : این ولوم نیز مانند ولوم Time/Div دارای ضرایبی است ک این ضرایب بر حسب ولت و میلی ولت می باشند و هر ضریب بیان كننده این است كه هر خانه در راستای عمودی چند ولت میباشد.این كلید برای اندازه گیری دامنه ولتاژ به كار می رود. با تغییر این كلید Volt/Div شکل موج در راستای عمودی باز و جمع می شود. مثال اگر ضریب كلید كانال ٢ برابر با 0.5 ولت می باشد كه این امر نشان دهنده این است كه به ازای انتخاب كانال ٢ در صفحه نمایش اسیلوسکوپ هر خانه در راستای عمودی برابر با 0.5 ولت می باشد. 25
8 -ولومVariable Volt :این ولوم شکل موج را در راستای عمودی فشرده و باز می كند. امااگر این ولوم از حالت Cal خارج شود دیگر مقادیرVolt/Div معتبر نبوده و نمی توان اندازه ولتاژ را محاسبه نمود. بنابراین این ولوم هنگام اندازه گیری ولتاژ باید روی عالمتCal یاشد. 9 -ولومPosition Vertical :این ولوم شکل موج را در راستای عمودی جا به جا می كند و ممکن است به اختصار با Ver.Pos و یا با استفاده از عالمت های و نمایش داده شود. -كلید : AC GND DC اگر این كلید در حالت AC باشد یک خازن در مسیر ورودی شکل موج قرار میگیرد كه سبب حذف مؤلفه DC میگردد. یعنی در این حالت فقط سیگنال هایAC روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ نمایش داده میشوند و سیگنال هایDCحذف میگردد.اما اگر این كلید در حالت DC باشد هر چه در ورودی باشد بدون تغییر در صفحه نمایش داده می شود یعنی در این حالت مؤلفه هایAC وDC اسیلوسکوپ نمایش داده می شوند و در صورتی كه این كلید در حالتGNDباشدورودیاسیلوسکوپ به صفحات انحراف عمودی كه در ادامه در رابطه با آنها صحبت می كنیم منتقل نخواهد شد بلکه این صفحات به اختالف پتانسیل صفر ولت متصل می شوند. بنابراین در این حالت روی صفحه اسیلوسکوپ یک خط افقی دیده می شود كه از آن برای تعیین خط مبنای عمودی و یا ولتاژ صفر ولت استفاده می شود. -ولوم :level این ولوم نقطه شروع موج نشان داده شده بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ را معین می كند. همچنین اگر موج نمایش داده شده بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ در جهت افقی حركت كند و ثابت نباشد باید به كمک این ولوم شکل موج را ثابت نگهداشت. - كلیدmode : این كلید چهار وضعیت دارد: CH-CH2-DUAL-ADD بسته به این كه بخواهیم از كه به ترتیب از كدوم یک از ورودی های اسکوپ استفاده كنیم می تونیم كلید MODE رو تنظیم كنیم كانال یک كانال دو دو موج راهمزمان ADD جمع ریاضی دو موج را نشان خواهد داد. حال كه با كلیدها و ولوم های پانل اسیلوسکوپ آشنا شدید در ادامه به بررسی نحوه اندازه گیری ولتاژ زمان تناوب فركانس اختالف فاز توسط اسیلوسکوپ می پردازیم. اندازه گیری ولتاژ: توسط اسیلوسکوپ می توان ولتاژهای AC وDCرا با دقت خیلی زیاد اندازه گیری كرد. برای این منظور ابتدا ولومVariable Volt را تا انتها در جهت حركت عقربه های ساعت می چرخانیم و آن را در حالتCALقرار می دهیم. سپس با قرار دادن كلیدAC-GND-DCروی حالتGNDاشعه را ترجیحا در وسط صفحه نمایش اسیلوسکوپ و یا در هر نقطه دلخواه دیگری از صفحه نمایش تنظیم می كنیم و سپس كلید فوق را در حالتDCقرار میدهیم تا سیگنال اعمال شده به اسیلوسکوپ بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر شود. حال در صورتی كه سیگنال ورودی یک سیگنالAC باشد برای بدست آوردن ولتاژ پیک آن تعداد خانه های كه اشغال شده بین محل تنظیم اشعه در حالت GND و پیک سیگنال AC 26
27 ار هدرمش و رد VOLT/DIV بیرض برض یم مینك و یارب تسدب ندروآ ژاتلو رثؤم نیا لانگیس رادقم ژاتلو کیپ تسدب هدمآ ار میسقت 2رب یم. مینك هب ناونع لاثم رد لکش کیریز لانگیس یسونیس رب یور هحفص شیامن پوکسولیسا شیامن هداد هدش. تسا رگا بیرض Volt/Div ربارب اب ۵ تلو دشاب رادقم ژاتلو کیپ و رثؤم نیا لانگیس ار تسدب.دیروآ هلصاف هلق لانگیس یسونیس شیامن هداد هدش رد لکش Xروحم ات اه ربارب تسا اب هلصاف هرد نیا لانگیس یسونیس ات.اهxروحم نیاربانب روحم اهx ار هب ناونع رفص ژاتلو تلو رد رظن یم میریگ لاح یارب تسدب ندروآ ژاتلو کیپ لانگیس یسونیس ادتبا دادعت هناخ یاه نیب کیپ لانگیس یسونیس و اهxروحم ار یم میرامش هك اب هجوت هب لکش دادعت نیا هناخ اه 2 ددع یم دشاب و سپس برض اب ندرك دادعت هناخ یاه شرامش هدش بیرض رد Volt/Div رادقم زاتلو کیپ لانگیس یسونیس تسدب یم. دیآ ینعی رد نیا لاثم رادقم ژاتلو کیپ لانگیس یسونیس ربارب تسا :اب VP=2 5=0V یارب تسدب ندروآ ژاتلو رثؤم لانگیس یسونیس طقف یفاك تسا رادقم ژاتلو کیپ لانگیس یسونیس ار میسقت 2 رب. مینك ینعی رد ین ا لاثم رادقم ژاتلو رثؤم لانگیس یسونیس ربارب تسا :اب Vrms= 0 2 = 7.07v هزادنا یریگ نامز بوانت و :سناکرف یارب هزادنا یریگ نامز بوانت کی جوم بوانتم دیاب ادتبا Variable Voltمولو ار CALتلاح رد رارق هداد و سپس دادعت هناخ یاه رد رب هتفرگ هدش طسوت جوم کی بوانتم ار Time/Divبیرض رد برض.دومن
به عنوان مثال با فرض اینکه ضریبTime/Div برابر با 0.5ms باشد و Variable Volt در حالتCAL باشد زمان تناوب شکل موج نمایش داده شده در شکل زیر را بدست آورید. هماطور كه در شکل مشاهده می كنید تعداد خانه های در بر گرفته شده توسط یک سیکل برابر با 4 خانه می باشد. بنابراین زمان تناوب برابر است با: T=4 0.5ms=2ms اگر بخواهیم فركانس یک سیگنال متناوب را بدست آوریم تنها كافی است عدد یک را بر زمان تناوب آن سیگنال تقسیم كنیم. به عنوان مثال فركانس موج سینوسی نمایش داده شده در شکل برابر است با: F= = 03 = = 000 = 500HZ T 2 0 3 2 2 اندزه گیری اختالف فاز : تصاویری هستند كه در آنها یک موج سینوسی بر حسب موج دیگری رسم میشود و متغیر زمان حذف شده است. به كمک این تصاویر كه به تصاویر لسیاژور معروف هستند می توان اختالف فاز میان دو موج سینوسی هم فركانس وفركانس یک موج سینوسی را بدست آورد. اندازه گیری اختالف فاز به کمک تصاویر لیساژور: -هر دو كانال را روی GND قرار داده و اسکوپ را در وضعیت X-Y مركز صفحه قرار دهید. 2 -هر دو كانال را روی AC حد تا كه كنیم می تنظیم طوری قرار داده و نقطه نورانی را در قرار دهید شکل موج ایجاد شده بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ را نمایش صفحه داخل تماما و بزرگ امکان اسیلوسکوپ این در باشد. صورت یکی از سه تصویر نشان داده شده در شکل زیر بر روی صفحه نمایش اسیلوسکوپ ظاهر می شود 2 3 Φ=0 0<Φ<90 Φ=90 28.
در تصویرهای و 3 مقدار اختالف فاز بین دو موج مشخص است اما در تصویر 2 برای بدست آوردن اختالف فاز بین دو موج به طریق زیر عمل می كنیم. b a Φ=sin-( b a ) نکته: البته روش دیگری برای اندازه گیری اختالف فاز وجود دارد كه در صورت نیاز توضیح داده خواهد شد. ج-انجام آزمایش آزمایش 4- : با استفاده از سیگنال ژنراتور یک موج سینوسی با فركانس Hz و ولتاژ مؤثر ولت بسازید. )این ولتاژ را با ولت متر ac اندازه بگیرید. ) خروجی سیگنال ژنراتور را به یکی از ورودیهای اسکوپ متصل كرده و مقدار دامنه پیک تا پیک و پریود آن را اندازه بگیرید. آزمایش 4-2 : فركانس را مطابق جدول صفحه بعد تغییر داده و در هر فركانس دامنه پیک تا پیک و پریود را اندازه بگیرید. با استفاده از روابط زیر مقدار ƒ و Vrms را محاسبه كنید. T اندازه گیری Vp-p اندازه گیری فركانس Vrms محاسبه ƒ محاسبه 500 Hz KHz 0 KHz 25KHZ 29
L آزمایش پنجم: فیلترهای C پایین و الف-سواالت پیش گزارش: -نوع فیلتر را مشخص كنید.اگر =K,C=2µF فركانس قطع را محاسبه كنید. V i C 2 -نوع فیلتر را مشخص كنید.اگر =2K,L=5mH فركانس قطع را محاسبه كنید. L + V i V o - 3 -نمودار VO VI یک فیلتر پایین گذر را بر حسب فركانس كدام یک از اشکال زیر است. 4 -با كمک نرم افزار شکل موج خروجی-ورودی را با اسیلوسکوپ رسم كنید. 30
ب-شرح آزمایش :C صافی پایین گذر V i C مدار باال یک صافی پایین گذر C cω می باشد زیرا فقط به فركانس های پایین اجازه عبور می دهد. در سیستم های صوتی از این فیلتر ها بهره میبرند. در این مدار چنانچه فركانس سیگنال ورودی زیاد شود طبق رابطه X C = امپرانس خازن كم میشود و در فركانسهای خیلی زیاد این مقدار تقریبا صفر میشود «به شرطی كه ظرفیت خازن ثابت باشد» در نتیجه افت ولتاژ دو سر خازن نیز به سمت صفر میل می كند و در نتیجه در خروجی این مدار هیچ پتانسیلی نخواهیم داشت. این مدار عالوه بر اینکه در فركانسهای باال ولتاژ خروجی را تضعیف میكند بین ولتاژ ورودی و خروجی اختالف فاز نیز به وجود میآورد. V i C V i F= XC=0 VO=0 V i F=0 XC= VO=VI صافی پایین گذر L مدار زیر یک صافی پایین گذر های پایین L X L میباشد. در این مدار با توجه به اینکه X L =Lω میباشد در فركانس- دارای مقاومت بسیار كوچکی خواهد بود كه میتوان آنرا اتصال كوتاه فرض كرد بنابراین ولتاژ خروجی به شدت افزایش پیدا میكند یعنی تمام ولتاژ ورودی در خروجی ظاهر میگردد با افزایش فركانس L + V i V o 3 -
X L به تدریج زید شده و در فركانسهای خیلی زیاد سلف حالت مدار باز به خود میگیرد. بنابراین خروجی به شدت تضعیف میشود از این رو به آن فیلتر پایین گذر میگویند. L L L V i F=0 XL=0 VO=VI + V i V o L - V i F= XL= VO=0 تعیین فرکانس قطع در فیلترهای پایین گذر C وL : فركانس قطع كه به F C به شدت تضعیف میكند. در این فركانس توان خروجی به 2 نشان داده میشود فركانسی است كه صافی پایین گذر فركانسهای باال تر از آن را نیز میگویند بنابراین در این فركانس ولتاز خروجی به توان ماكزیمم خود كاهش مییابد به این جهت آنرا فركانس نصف قدرت 2 برابر ولتاژ ماكزیمم خودش میرسد پس داریم : : C الف : تعیین fc در فیلتر پایین گذر Vo Vi = + (ωc) 2 = 2 + (ωc)2 = 2 ωc = 2πf c C = f c = 2πC ب : تعیین fc در فیلتر پایین گذر : L Vo Vi = +(ω L )2 = 2 + (ω L )2 = 2 ω L = 2πf c L = f c = 2πL از روابط فوق نتیجه می گیریم كه به ازای فركانس های باالتر از فركانس قطع خروجی به شدت تضعیف می شود و در كمتر از فركانس های قطع خروجی خواهیم داشت و تقریبا برابر ورودی خواهد بود. 32
ج-انجام آزمایش آزمایش 5- : مداری به صورت زیر با مقدار مقاومت 820Ω و خازن µf تشکیل دهید و جداول زیر را پر كنید و آنرا از دیدگاه اینکه صافی پایین گذر است بررسی كنید ( p-p ) V i 5= V 820Ω + + V i µf VO F(H Z ) 70 00 200 300 400 500 V o φ نمودارهایی رسم كنید كه بر حسب فركانس ولتاژ و فاز را نشان دهد. آزمایش 5-2 : 5 مدار فیلتر پایین گذر L و به ازای =20Ω و سلف معین و موج سینوسی با دامنه پیک تا ولت پیک در نظر گرفته و جدول زیر را كامل كنید. L + V i V o - f(h Z ) 00 Hz 200 Hz khz 2 khz 5 khz 0 khz 20 khz V o φ 33
نمودار ولتاژ خروجی و فاز را هر كدام نسبت به فركانس ترسیم نمایید و روی آن فركانس قطع را تعیین نمایید و دقت كنید در این آزمایش به ازای تغییر فركانس دامنه ورودی تغییر نکند. )در زیر نمودار ولتاژ خروجی و فاز نسبت به فرکانس برای نمونه رسم شده شما بجای اعداد ولتاژ و اختالف فاز در محور عمودی اعدادی که خودتان در آزمایشگاه بدست آوردید قرار دهید و نمودار جدید را رسم کنید.( vo 4 3.8 3.2 2.6.8.2 0.5 (f) 00 200 k 2k 5k 0k 20k ϕ 90 68 54 35 20 2 7 (f) 00 200 k 2k 5k 0k 20k 34
C آزمایش ششم: فیلترهای باال گذر L و الف-سواالت پیش گزارش: -نوع فیلتر را مشخص كنید.اگر = K,C=2µF فركانس قطع را محاسبه كنید. C V i 2 -نوع فیلتر را مشخص كنید.اگر =2K,L=5mH فركانس قطع را محاسبه كنید. + V i L V o - 3 -نمودار VO Vi یک فیلتر باال گذر را بر حسب فركانس كدام یک از اشکال زیر است. Vo/V i Vo/V i Vo/Vi f f f 4 -با كمک نرم افزار شکل موج خروجی-ورودی را با اسیلوسکوپ رسم كنید. 35
X C X C ب-شرح آزمایش C فیلترهای باال گذر در این مدار با توجه به این كه C/= ω می باشد زمانی كه فركانس پائین است زیاد شده و بنابراین خازن مانند مدار باز عمل كرده و در نتیجه ولتاژ خروجی صفر بشود ولی زمانی كه فركانس را به تدریج باال می بریم XC توانیم مشاهده كنیم. كم می شود تا زمانی كه در فركانس های باال تمام ولتاژ ورودی را در خروجی می C V i C V i f= X C =0 V O =VI C V i f=0 X C = V O =0 بررسی فرکانس قطع مدار : V i = ( + JωC i ) AV = VO Vi = ωc +(ωc) 2 V O =i ωc = +(ωc) 2 2 + (ωc) 2 = 2(ωC) 2 ωc = φ = arc 36 ωc f C = 2πC محاسبه فاز خروجی در فركانس قطع :
φ = arc 2π = arc tg = 45 C 2πC L فیلتر باالگذر در این فیلتر با توجه به این كه = Lω X L می باشد در فركانس های پایین X L دارای مقاومت كمی بوده و می توان آن را اتصال كوتاه فرض كرد و بنابراین ولتاژ خروجی صفر می شود حال اگر فركانس را به تدریج زیاد كنیم به تدریج X L ورودی در خروجی فیلتر ظاهر می گردد. زیاد شده و در فركانس های باال سلف مدار باز شده بنابراین تمام ولتاژ V i L f=0 X L =0 V O =0 + V i L V o - V i L f= X L = V O =Vi : L بررسی فركانس قطع فیلتر باالگذر A v = + ( ωl ) 2 = 2 + ( ωl ) 2 = 2 f C = 2πL ج-انجام آزمایش آزمایش 6- : 0. μf 0 KΩ با توجه به مدار فیلتر باالگذر C و با استفاده از مقاومتهای و خازن و یک موج سینوسی با دامنه 5 V جدول زیر را پر كنید. 37
C + V i VO - f 00 HZ 50 HZ 200 HZ 500 HZ KHZ 2 KHZ 5 KHZ 0 KHZ 20 KHZ 25 KHZ VO φ فركانس قطع را در این جدول مشخص نمایید. نمودار ولتاژ نسبت به فركانس و نمودار اختالف فاز نسبت به فركانس را رسم كنید. آزمایش 6-2 : با توجه به مدار فیلتر باالگذر L و با استفاده از یک مقاومت 20 اهمی و سلف موجود در آزمایشگاه و یک موج سینوسی با دامنه 5 V به مدار اعمال كرده و جدول زیر را كامل نمایید. + V i L V o - f 00 HZ 50 HZ 200 HZ 500 HZ KHZ 2 KHZ 5 KHZ 0 KHZ VO φ فركانس قطع را در این جدول مشخص نمایید. منحنی ولتاژ خروجی نسبت به فركانس و منحنی اختالف فاز را بر حسب فركانس ترسیم نمایید. 38
LC آزمایش هفتم: سری مدار الف-سواالت پیش گزارش: -فركانس تشدید مدار زیر را با استفاده از نرم افزار رسم كنید. mh 2.2nf vi k + vo _ 2 -شکل موج ورودی و خروجی را با نرم افزار رسم كنید. 3 -در مدار LC سری اگر =K, L=2H, C=3F باشد فركانس تشدید را محاسبه كنید. 4- اگر مقدار دو برابر شود فركانس تشدید چه تغییری می كند. ب-شرح آزمایش مداری كه در زیر مشاهده می نمایید مدار تشدید LC می باشد. L C vi + vo _ روابط بین ورودی وخروجی آن بصورت زیر خواهد بود: Vi=[+j(Lω Cω) )]i V o =i vo = vi +J(Lω Cω ) در مدارفوق چنانچه در فركانسهای frمقاومت ظاهری سلف وخازن برابر شوند خواهیم داشت: 39
Lω= Cω Vo Vi = = این بدان معنی است كه هر ولتاژی در ورودی داشته باشیم همان ولتاژ در خروجی ظاهر خواهد شد. دراین حالت افت ولتاژ دوسرسلف وخازن با 8 درجه اختالف فاز برابر خواهد شد یعنی: وچون V o =I Lω= پس در فركانس f r خواهیم داشت: Cω «r f همان فركانس تشدید مدار می باشد كه مقدار آن بصورت زیر محاسبه می شود«X L =X C Lω= LC4π 2 f 2 r= Cω f 2 r= LCω 2 = 4π 2 LC ج-انجام آزمایش f r = 2π LC آزمایش 7- : مداری مطابق شکل زیر ترتیب دهید. mh 2.2nf vi k + vo _ ولتاژسینوسی با دامنه V P-P به مدار اعمال نمایید وبا تغییر فركانس فركانس تشدید مدار را اندازه گیری نموده وسپس جدول زیر را كامل كنید.چون برای رسم نمودار شما به چند نقطه نیاز دارید برای اینکار بعد از پیدا كردن فركانس تشدید دو فركانس قبل و دو فركانس بعد از فركانس تشدید انتخاب كرده و اختالف فاز و دامنه را در انها اندازه گیری كنید. f»اندازه گیری«v o»اندازه گیری«فركانس Φ f r نمودار اختالف فاز بر حسب فركانس را رسم كنید. 40
نمودار دامنه برحسب اختالف فاز را رسم كنید. )در زیر نمودار ولتاژ خروجی و فاز نسبت به فرکانس برای نمونه رسم شده توجه کنید اختالف فازها را بعد از فرکانس تشدید منفی در نظر بگیرید تا بتوانید نمودار را بدرستی رسم کنید.( vo 0 7 5 3 f 25k 75k 50k 90k 00k 25k 75k 00k 50k 90k ϕ 90 22 f 33 90 4
آزمایش هشتم: مدار فیلتر میان نگذر الف-سواالت پیش گزارش: -فركانس تشدید مدار زیر را با استفاده از نرم افزار رسم كنید. kω + vi 2.2nf vo mh - 2 -شکل موج ورودی و خروجی را با نرم افزار رسم كنید. 3 -در مدار باال اگر = K, 2=L H, 3=C F باشد فركانسی كه در آن دامنه خروجی صفر می شود را محاسبه كنید. ب-شرح آزمایش فیلتر میان نگذر فیلتری است كه اغلب فركانسها را بدون تضعیف عبور می دهد اما محدوده مشخصی را تضعیف می كند. kω + vi vi 2.2nf vo L - فیلتر میان نگذر برگردان كلمه التین Band-stop fiter است كه بعضی مواقع ترجمه Band-rejection filter نیز به حساب می آید كه اغلب فركانسها را بدون تضعیف عبور می دهد اما محدوده مشخصی را به شدت تضعیف می كند. این فیلتر در مقابل فیلتر میان گذر) filter )Band-pass است. فیلتر شکافی filter( )Notch یک فیلتر میان نگذر با باند تضعیف بسیار نازک )Q باال( است. فیلترهای شکافی در سیستمهای - PA مخفف public-address system به معنی مکانیزمی جهت تقویت صوت برای عموم یا ناحیه ای بزرگ است - و همچنین در وسایل تقویت كننده )مخصوصا آمپلی فایرها و پیش آمپلی فایرهای تجهیزات صوتی نظیر گیتارهای صوتی ماندولین تقویت كننده های صدای بم و غیره( استفاده می شوند تا فیدبک هائی كه در اثر طیف فركانسی ایجاد می شوند را كاهش دهد یا حذف كند. سایر اسامی این فیلتر 42
Band-rejection filter و Band-elimination filter و T-notch filter و Band-limit filter است. با توجه به تابع vo = J(Lω Cω ) vi +J(Lω Cω ) f= 2π LC تبدیل و نمودار های فاز و دامنه ای كه بدست خواهیم آورد نشان داده میشود كه مدار تشدید موازی بصورت یک فیلتر میان نگذر عمل خواهد نمود ϕ AV π/2 0.7 ω ω ج-انجام آزمایش آزمایش 8- : مدار روبرو را در نظر بگیرید. پس از بستن مدار توسط فانکشن یک موج سینوسی با دامنه V P-P kω vi 2.2nf vo L و فركانسهای متغیر مطابق جدول به ورودی مدار اعمال كرده و جدول زیر را كامل نمایید. F(KHZ) /.5 2 3 4 5 6 7 8 9 5 2 25 3 VO Ø نمودار اختالف فاز بر حسب فركانس را رسم كنید. نمودار دامنه برحسب اختالف فاز را رسم كنید. 43
آزمایش نهم: مدار تشدید موازی الف-سواالت پیش گزارش: -فركانس تشدید مدار زیر را با استفاده از نرم افزار رسم كنید. 2200 Ω + + Vi L 33 NF vo b Z(jw) 2 -شکل موج ورودی و خروجی را با نرم افزار رسم كنید. 3 -در مدار LC سری اگر =K, L=2H, C=3F باشد فركانس تشدید را محاسبه كنید. 4- اگر مقدار دو برابر شود فركانس تشدید چه تغییری می كند. ب-شرح آزمایش در شکل زیر مداری شامل خازن C و سلف L بصورت سری بسته شده است این مدار را مدار تشدید موازی گویند. بصورت موازی كه در حاصل آنها با مقاومت a + Vi L c VO b 44
برای ساده شدن محاسبات مدار معادل نورتن منبع و لتاژ و مقاومت را از دیدگاه bوa می دهیم در اینصورت خواهیم داشت : ادمیتانس مدار را بصورت زیر محاسبه می نماییم: در مدار قرار Vi L c Y Y = + jwl + jcw = + j(cw wl ) f r در فركانس تشدید رابطه فوق نشان می دهد كه در فركانس خاص شوندادمیستانس كلی مدار عکس مقاومت خالص مدار خواهد شد. برای بدست آوردن فركانس تشدید به صورت زیر عمل می كنیم: كه مقدار ادمیستانس خازن و سلف برابر می ωc = ωl Lcω2 = 4π 2 CLF 2 = F r = 2π LC 2 α = C ω 0 = LC F 0 = 2π LC Q= ω0 2α باتوجه به اینکه خواهیم داشت: ضریب كیفیت: Q= LC C Q = C L B.W= F 0 خواهیم داشت: Q وبا توجه به اینکه B.W= پهنای باند مدار 2πC 45
با توجه به تابع تبدیل و نمودار های فاز و دامنه ای كه بدست خواهیم آورد نشان داده میشود كه مدار تشدید موازی بصورت یک فیلتر میانگذر عمل خواهد نمود با توجه با اینکه در مدار مورد تحلیل VO(S)=I(S).Z(S) V0(S) I(S) =Z(S) ضمنا با توجه به مدار LC موازی خواهیم داشت: + i Vi L c vo با توجه به پاسخ فركانسی مدار دارای دو فركانس قطع باال و قطع پایین است. هدف در این آزمایش اندازه گیری عملی فركانس قطع می باشد. ج-انجام آزمایش آزمایش 9- : مدار روبرو را در نظر بگیرید. پس از بستن مدار توسط فانکشن یک موج سینوسی با دامنه 0V و برای پیدا كردن فركانس قطع مراحل زیر را انجام دهید. 46
+ 2200 Ω + Vi L 33 NF vo b Z(jw) -ابتدا با تغیر فركانس فانکشن از فركانسهای خیلی كم تا فركانسهای باال و مشاهده دامنه ماكزیمم خروجی را اندازه گیری كنید. خروجی دامنه 2 -فركانس فانکشن را یادداشت كنید این فركانس فركانس تشدید مدار است. 3 -دامنه ماكزیممی كه در مرحله یک بدست اوردید در عدد = 0.7 2 ضرب كنید. 4 رب- ای اندازه گیری فركانس قطع پایین فركانس فانکشن را كاهش دهید)از فركانس تشدید كمتر( دامنه خروجی را اندازه گیری كنید تا به عددی كه در مرحله سه بدست آوردید برسید فركانسی كه در این حالت فانکشن نشان می دهد فركانس قطع پایین مدار است. 5 -برای اندازه گیری فركانس قطع باال فركانس فانکشن را كاهش دهید)از فركانس تشدید بیشتر( دامنه خروجی را اندازه گیری كنید تا به عددی كه در مرحله سه بدست آوردید برسید فركانسی كه در این حالت فانکشن نشان می دهد فركانس قطع باالی مدار است. 6 -اختالف بین فركانس قطع باال و پایین مدار را پهنای باند گویند. 47
آزمایش دهم: اندازه گیری اختالف فاز ا ف-ل شرح آزمایش اندزه گیری اختالف فاز: در روش دوم ابتدا توسط ولوم Time/Divو ولومVariable Volt سعی می كنیم یک سیکل از سیگنال متناوب تعداد خانه های زیادی را در بر گیرد ( در اندازه گیری اختالف فاز چون كاری با ضرایبTime/Div نداریم می توانیم ولومVariable Volt را از حالتCal خارج كنیم)سپس ٣۶٩ درجه را بر تعداد خانه های در بر گرفته شده توسط یک سیکل تقسیم می كنیم تا مقدار اختالف فاز به ازای هر خانه مشخص شود. سپس تعداد خانه های قرار گرفته بین دو شکل موج در راستای افقی را در مقدار اختالف فاز به ازای هر خانه ضرب می كنیم تا اختالف فاز بین دو شکل موج بدست آید. به عنوان مثال : a b بناراین اختالف فاز دز شکل باال برابر است با: 360 ϕ=a در این شکل 26=360 ( 4 b حال با استفاده از روش جدید آزمایش زیر را انجام دهید. Φ=(.4 ب-انجام آزمایش آزمایش 0- : مداری به صورت زیر با مقدار مقاومت 820Ω و خازن µf تشکیل دهید و جداول زیر را پر كنید و آنرا از دیدگاه اینکه صافی پایین گذر است بررسی كنید =5vp-p( ) V i F(HZ) 70 00 200 300 400 500 + 820Ω + Vo V i µf VO φ نمودارهایی رسم كنید كه بر حسب فركانس ولتاژ و فاز را نشان دهد. 48